基于模糊PID控制技術的轉向節差壓鑄造工藝研究

發布時間：2021-03-24所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：采用兩種控制技術對6082鋁合金轉向節差壓鑄造中的澆注溫度、充型壓力、結殼增壓壓力和結晶增壓壓力進行了控制，并進行了試樣的耐磨損性能和沖擊性能的測試與分析。結果表明：與常規PID控制技術相比，采用模糊PID控制技術對轉向節差壓鑄造過程中的參數

　　摘要：采用兩種控制技術對6082鋁合金轉向節差壓鑄造中的澆注溫度、充型壓力、結殼增壓壓力和結晶增壓壓力進行了控制，并進行了試樣的耐磨損性能和沖擊性能的測試與分析。結果表明：與常規PID控制技術相比，采用模糊PID控制技術對轉向節差壓鑄造過程中的參數進行控制，可提高轉向節的耐磨損性能和沖擊性能，使其室溫磨損15min后的磨損體積減小17.6%，沖擊吸收能增大16.7%。

　　關鍵詞：常規PID控制;模糊PID控制;鋁合金轉向節;差壓鑄造

　　轉向節是一種重要的汽車零件。差壓鑄造是轉向節的一種常用生產方法，作為一種在低壓鑄造上發展起來的鑄造方法，吸引了大量科研人員的研究興趣。孫榮創[1]基于PLC可編程序控制器設計開發了件數差壓鑄造電氣控制系統。宗紹迎等[2]對某回轉體鑄件的差壓鑄造工藝進行了研究和改進設計。崔恩強等[3]采用差壓鑄造方法進行了VW63Z稀土耐熱鎂合金艙體的成型試驗。李鵬飛等[4]研究和分析了差壓鑄造鋁合金汽車轉向節的夾雜物。嚴其艷等[5]設計開發了真空差壓鑄造S3C2440嵌入式智能控制系統。袁文鋒等[6]對發動機整體薄壁鋁合金精鑄件進行了真空差壓鑄造制備研究。陳新林等[7]基于神經網絡算法對鋁合金差壓鑄造工藝參數進行了優化。劉益標等[8]研究和分析了基于單片機控制的薄壁鋁合金真空差壓鑄造設備壓力控制系統。王清等[9]分析了SLS砂型中碳纖維對真空差壓鑄造ZL205A合金性能的影響。但是目前關于轉向節差壓鑄造控制的研究還較少，難以對實際的工業化生產提供指導和支持。為此，本文研究了基于模糊PID控制技術的轉向節差壓鑄造，以期獲得具有工程應用價值的試驗數據。

　　1控制技術及試驗方法

　　1.1模糊PID控制

　　模糊PID控制是集模糊技術與PID控制技術于一體的新型控制技術，它基于誤差和誤差變化率，通過PID控制器進行比例系數、積分系數和微分系數的自主調節控制，同時按照一定的規則對控制對象進行模糊化，再根據相應的知識經驗進行推理決策，然后再解模糊并實現輸出。由于轉向節差壓鑄造過程中，澆注溫度、充型壓力、結殼增壓壓力和結晶增壓壓力是最重要的4個工藝參數。為此，本文研究這4個工藝參數的模糊PID控制。轉向節差壓鑄造的模糊PID控制原理如圖1所示。圖2是轉向節差壓鑄造的模糊PID控制算法框圖。在該控制系統中，系統輸入量有4個：溫度偏差e(t)T、溫度偏差變化率ec(t)T、壓力偏差e(t)P、壓力偏差變化率ec(t)P。在模糊控制器中將比例系數KP、微分系數KI、積分系數KD通過模糊化、推理決策和去模糊化三大步驟，從而滿足在不同變化情況下的溫度偏差和溫度偏差率對澆注溫度的控制要求，以及壓力偏差和壓力偏差率對充型壓力、結殼增壓壓力和結晶增壓壓力的控制要求，從而實現轉向節差壓鑄造過程中澆注溫度、充型壓力、結殼增壓壓力和結晶增壓壓力的精確控制。在模糊PID控制系統中，模糊集合論域為[-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4]，隸屬函數選用三角函數，模糊集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

　　1.2試驗對象及試驗方法

　　本文試驗研究對象為6082鋁合金轉向節，具體化學成分如表1所示。采用差壓鑄造進行轉向節試樣成型，在成型過程中采用新型模糊PID控制技術以及常規PID控制技術進行澆注溫度、充型壓力、結殼增壓壓力和結晶增壓壓力的控制。差壓鑄造轉向節試件及取樣位置如圖3所示，其中圓柱盲孔直徑60mm、深12mm，此處壁厚20mm。

　　按圖3所示，分別在模糊PID控制和常規PID控制差壓鑄造的轉向節試樣切取磨損試樣和沖擊試樣。磨損試樣為圓片狀，尺寸準20mm×5mm，在室溫摩擦磨損試驗機上進行磨損試驗，磨輪轉速500r/min、相對滑動速度90mm/min、磨損時間15min、對磨材料為試樣本體，每3min記錄一次磨損體積，并用JSM6510掃描電子顯微鏡觀察試樣的表面磨損形貌。沖擊試樣為矩形狀，尺寸55mm×10mm×5mm，缺口為V型、深度2mm。沖擊試驗在夏比室溫沖擊試驗機上進行，記錄沖擊功，并在JSM6510掃描電鏡下觀察沖擊斷口形貌。

　　2試驗結果及分析

　　2.1耐磨損性能

　　分別采用新型模糊PID控制和常規PID控制差壓鑄造的轉向節試件，在室溫測試的耐磨損性能如圖4所示。從圖4可以看出，與常規PID控制相比，采用模糊PID控制差壓鑄造的試樣在磨損試驗過程中的磨損體積明顯減小，試樣耐磨損性能得到明顯提高。當磨損時間15min時，與常規PID控制相比，采用模糊PID控制差壓鑄造試樣的磨損體積減小17.6%。可以看出，差壓鑄造過程中采用模糊PID控制技術對澆注溫度、充型壓力、結殼增壓壓力和結晶增壓壓力進行控制，可以有效提高試樣的耐磨損性能。

　　圖5是采用模糊PID控制和常規PID控制差壓鑄造的轉向節鑄件在室溫磨損試驗后的表面形貌SEM照片。從圖5(a)可以看出，采用常規PID控制時，試樣磨損試驗后表面存在較多的凹坑以及較粗的磨痕。從圖5(b)可以看出，與常規PID控制相比，當采用模糊PID控制時試樣磨損試驗后表面的凹坑減少、磨痕變淺，試樣的磨損情況得到減輕。這與試樣的磨損體積測試結果相符。

　　2.2沖擊性能

　　表2是采用模糊PID控制和常規PID控制差壓鑄造的轉向節試樣的室溫沖擊性能測試結果。與常規PID控制相比，采用模糊PID控制差壓鑄造試樣的沖擊吸收能增大，試樣的沖擊性能得到提高，試樣的沖擊性能得到提高。換言之，在轉向節差壓鑄造過程中，采用模糊PID控制技術對澆注溫度、充型壓力、結殼增壓壓力和結晶增壓壓力進行精確控制，有助于改善差壓鑄造轉向節的沖擊性能。

　　圖6是分別采用新型模糊PID控制和常規PID控制差壓鑄造轉向節試樣的沖擊斷口SEM照片。與常規PID控制相比，當采用模糊PID控制時試樣沖擊斷口中韌窩增多，且韌窩更細小、深邃，表現出更好的沖擊性能。這與試樣的沖擊吸收能測試結果一致。由此可以看出，在轉向節差壓鑄造過程中，對澆注溫度、充型壓力、結殼增壓壓力和結晶增壓壓力進行模糊PID控制，可以對差壓鑄造過程中的溫度控制和壓力控制達到更好的控制效果，從而改善差壓鑄造轉向節的耐磨損性能和沖擊性能。

　　在差壓鑄造過程中，澆注溫度對鑄件質量產生顯著影響。澆注溫度的精確控制有利于提高鑄件內部質量，改善鑄件綜合性能。在差壓鑄造過程中采用常規PID控制技術進行澆注溫度控制時，往往存在控制精度不高、抗干擾能力差等問題。與常規PID控制技術相比，模糊PID控制技術具有更好的魯棒性和容錯能力，能有效解決澆注溫度控制過程中的強耦合時變、滯后等問題，具有適應澆注溫度動態變化、環境特征變化的能力，從而可以實現澆注溫度的精確控制，提高抗干擾能力，從而可以有效提高差壓鑄造轉向節的耐磨損性能和沖擊性能。充型壓力、結殼增壓壓力和結晶增壓壓力是差壓鑄造中特別重要的3個壓力參數，這3個壓力參數的精確控制對鑄件性能產生明顯影響。如果采用常規PID技術對充型壓力、結殼增壓壓力和結晶增壓壓力進行控制，很容易出現控制精度不夠、滯后等問題，導致鑄件性能不夠理想;如果采用模糊PID技術進行參數的控制，可以充分發揮模糊PID控制的魯棒強、容錯能力強等優點，精確控制這3個壓力參數，從而明顯提高鑄件的耐磨損性能和沖擊性能。

　　3結論

　　(1)與常規PID控制技術相比，采用模糊PID控制技術對轉向節差壓鑄造過程中的澆注溫度、充型壓力、結殼增壓壓力和結晶增壓壓力進行控制，可以提高轉向節的耐磨損性能和沖擊性能。

　　(2)與常規PID控制技術相比，采用模糊PID控制技術差壓鑄造的轉向節室溫磨損15min后的磨損體積減小17.6%，沖擊吸收能增大16.7%。——論文作者：周月俠1,趙曉東2,劉玉蘭3

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